כיצד להשיג בקרת הספק יעילה בתכנים מוגבלי מקום

התקנים לבישים כמו אוזניות כפתור, שעונים חכמים, משקפי מציאות רבודה (AR) / מציאות מדומה (VR) ועזרי שמיעה הולכים ונעשים קטנים ודיסקרטיים יותר. יחד עם זאת, יישומים אלו דורשים פונקציונליות רבה יותר, כולל יכולות בינה מלאכותית (AI). מגמות אלו יוצרות בעיות של ניהול תרמי עבור המתכננים. בנוסף, לצורך חוויית משתמש חיובית נדרשים חיי סוללה ארוכים יותר, ולכן נחוצים תכנים בעלי נצילות גבוהה. איזון של תמהיל הדרישות התכנוניות הזה, שלעתים קרובות סותרות זו את זו, מהווה אתגר למתכננים ומחייב אותם לחשוב מחדש על הבחירות ברכיבים במטרה להקטין למינימום את שטח הלוח תוך מקסום הזמן בין הטעינות.

כדי לסייע למתכננים, הופיעו רכיבי MOSFET זעירים עם התנגדות מצב מופעל נמוכה מאוד. התקנים אלו גם מספקים מוליכות תרמית מעולה במטרה לסייע בבקרת פיזור החום. בחלק מאותם תקנים אפילו משובצת הגנת פריקה אלקטרוסטטית (ESD).

מאמר זה דן בקצרה באתגרים העומדים בפני המתכננים של התקנים קטנים וחכמים המוזנים בסוללות. לאחר מכן המאמר מראה כיצד ניתן לפתור את האתגרים האלו באמצעות רכיבי MOSFET במארז זעיר מבית Nexperia, תוך הדגשת תכונות ההתקנים והיישומיות שלהם בתכנים מיקרו-לבישים.

האתגרים שבתכנון התקנים מיקרו-לבישים

שעונים דיגיטליים, אוזניות כפתור ותכשיטים חכמים, כמו גם התקנים לבישים זעירים אחרים, מציבים בפני המתכננים מספר אתגרים – במיוחד ביחס לגודל, לצריכת ההספק ולניהול התרמי. האתגרים רק הולכים וגדלים ככל שמוצעות רמות גבוהות יותר של פונקציונליות, כגון AI, כדי למשוך את משתמשי הקצה. יחד עם מציאת מקום למיקרו-בקרים, לסוללות, למקמ"שים מסוג Bluetooth, לרמקולים ולאלקטרוניקת תצוגה, המתכננים חייבים להוסיף כעת יכולת עיבוד עצבית.

עם הפונקציונליות ההולכת וגדלה מגיע הצורך בגישות מתקדמות לצמצום צריכת ההספק כדי להאריך את משך חיי הסוללה. בקרת צריכת ההספק כוללת כיבוי של רכיבי מעגל שאינם בשימוש, אולם מעגלים אלו חייבים להיות מוכנים להפעלה מהירה בעת הצורך. אף שההפעלה והכיבוי של המתח הנם יעילים, הדבר דורש התנגדות מצב מופעל נמוכה בתוך התקני המיתוג כדי להפחית את הפסדי ההספק והחום שנוצר. ניהול יעיל של כל חום שנוצר הוא מסובך בשל הממדים הפיזיים הקומפקטיים של התקנים אלו, דבר שרק מדגיש את חשיבותם של רכיבים בעלי נצילות גבוהה והפסדים נמוכים.

בהסתמך על ניסיונה בן עשרות השנים בייצור של רכיבי מוליכים למחצה בדידים, חברת Nexperia הצליחה לכווץ את גודל רכיבי ה-MOSFET שלה במטרה לעמוד בדרישות שלעתים קרובות סותרות זו את זו במסגרת סדרת ה-DFN‏ – בדידים שטוחים ללא מוליך (Discrete Flat No Lead) – מתוצרתה (איור 1).

איור 1: מוצגת משפחת התקני ה-MOSFET מבית Nexperia במארז DFN, תוך הדגשת ההפחתה בגודל ובחתימת השטח – עד ה-DFN0603. (מקור התמונה: Nexperia)

ה-DFN0603 מגיע במארז במידות של 0.63 × 0.33 × 0.25 מ"מ. השינוי המשמעותי ביותר לעומת הדגם הקודם שהוצג הוא הפחתת גובה עד כדי 0.25 מ"מ – ללא כל הפחתה בפונקציונליות. בנוסף, ההתקן מציע התנגדות מרזב-למקור – R_DS(on)‎ – של 74% פחות מזו של המארז הקודם.

סדרת מארזי פרופיל אולטרה-נמוך זו כוללת חמישה התקני MOSFET, הן בעלי תעלת N והן בעלי תעלת P, במתח מרזב-למקור (V_DS) נקוב של 20 עד 60 וולט.

בנוסף לפיזור הספק נמוך יותר, המתאפשר הודות להתנגדות הנמוכה, קו המוצרים DFN0603 מפגין הולכה תרמית מצוינת, השומרת על טמפרטורה נמוכה של ההתקן המורכב.

רכיבי Trench MOSFET

הפחתה זו בגודל, יחד עם ההפחתה ב-R_DS(on)‎, מתאפשרת על ידי תכנון ה-trench MOSFET של ההתקן (איור 2).

איור 2: מבט בחתך רוחב המציג את מבנהו של trench MOSFET עם זרם הזורם אנכית בין המקור (source) למרזב (drain) כאשר ההתקן במצב מופעל. הקו המקווקו מציג את שטחי התעלה. (מקור התמונה: Art Pini)

כמו רכיבי MOSFET אחרים, תא trench MOSFET כולל מרזב, שער (gate) ומקור, אך התעלה נוצרת אנכית, במקביל לתעלת השער, באמצעות אפקט השדה. כתוצאה מכך, כיוון זרימת הזרם הוא אנכי, מהמקור למרזב. בהשוואה להתקן פלאנרי, אשר פרוש אופקית ותופס חלק ניכר משטח הפנים, מבנה זה הוא קומפקטי מאוד ומאפשר מספר גדול מאוד של תאים סמוכים בפיסת הסיליקון. כל התאים מחוברים לעבודה במקביל כדי להפחית את ערך ה-R_DS(on)‎ ולהגדיל את זרם המרזב.

משפחת רכיבי ה-MOSFET‏ DFN0603 מבית Nexperia

סדרת DFN0603 של Nexperia כוללת חמישה התקנים – ארבעה רכיבי MOSFET‏ עם תעלת N ועוד רכיב MOSFET יחיד עם תעלת P (איור 3), במגבלות V_DS של 20 עד 60 וולט. כולם משתמשים באותו מארז פיזי בעל מגבלת פיזור הספק כולל של 300 מילי-ואט (mW).

איור 3: מוצגים המפרטים של חמישה רכיבי MOSFET‏ DFN0603 בהספק אולטרה-נמוך המיועדים ליישומים ניידים ונישאים. (מקור התמונה: Nexperia)

כאשר:

V_DS = מתח מקסימלי מרזב-למקור, בוולטים.

V_GS = מתח מקסימלי שער-למקור, בוולטים.

I_D = זרם מרזב מקסימלי, באמפרים.

V_GSth = מתחי הסף המינימליים והמקסימליים שער-למקור. זהו המתח הנדרש על פני הדקי השער והמקור כדי להתחיל להפעיל את ה-MOSFET. ערכי המינימום והמקסימום מתייחסים לסטיות בתהליך הייצור.

ESD = הגנת פריקה אלקטרוסטטית (ESD) בקילו-וולט (kV), אם כלולה.

R_DS(on)‎ = התנגדות מרזב-למקור במילי-אוהם (mΩ) במתח השער-למקור המפורט.

ה-PMX100UNEZ וה-PMX100UNZ הם רכיבי MOSFET דומים של 20 וולט עם תעלת N. ההבדל העיקרי ביניהם הוא שה-PMX100UNEZ כולל הגנת פריקה אלקטרוסטטית (ESD) עד 2‎ קילו-וולט, ואילו ה-PMX100UNZ אינו מוגן. האחרון הוא בעל מתח שער-למקור מקסימלי גבוה יותר. הם מגיעים להתנגדות מרזב-למקור של ‎130 מילי-אוהם ו-‎122 מילי-אוהם במתח שער-למקור של 4.5 וולט ולזרמי מרזב מקסימליים של ‎1.4 אמפר ו-1.3 אמפר, בהתאמה.

ה-PMX400UPZ הוא התקן עם תעלת P ומתח מרזב-למקור נקוב מקסימלי של 20 וולט. הוא בעל מפרט זרם מרזב מקסימלי נמוך מעט של ‎0.9 והתנגדות מרזב-למקור של ‎334 מילי-אוהם במתח שער-למקור של 4.5 וולט בהשוואה להתקני תעלת N.

מתח המרזב-למקור הנקוב המקסימלי של PMX300UNEZ עם תעלת N הוא 30 וולט. כיוון שכל רכיבי ה-MOSFET‏ DFN0603 הם בעלי דירוג הספק מקסימלי של ‎300 מילי-ואט, הגדלת מתח המרזב-למקור משמעותה שזרם המרזב המקסימלי נמוך יותר, 0.82 אמפר במקרה זה. התנגדות המרזב-למקור היא ‎190 מילי-אוהם במתח שער-למקור של 4.5 וולט.

ה-PMX700ENZ עם תעלת N הוא בעל מתח המרזב-למקור הגבוה ביותר, 60 וולט. זרם המרזב המקסימלי הוא ‎0.3 אמפר, והתנגדות המרזב-למקור שלו היא ‎760 מילי-אוהם עם מתח דחיפת שער-למקור של 4.5 וולט.

ביחד עם פיזור ההספק הנקוב המקסימלי שלהם, ‎300 מילי-ואט, כל התקני ה-DFN0603 הם בעלי תחום טמפרטורות פעולה של ‎–55˚C עד ‎+150˚C.

מיתוג הספק ועומס של רכיבי MOSFET

התקנים מיקרו-לבישים מוזנים, בדרך כלל, על ידי סוללות. הפחתת צריכת ההספק כדי להבטיח מרווחי טעינה ארוכים דורשת הפעלה וכיבוי של רכיבי מעגל כשהם אינם בשימוש. מתגים אלו צריכים להיות בעלי הפסדים נמוכים במצב מופעל, כדי להבטיח פיזור הספק נמוך, ובעלי זליגה נמוכה במצב כבוי. ניתן לממש מתגי עומס בעזרת רכיבי MOSFET כהתקני מיתוג. הם מבוקרים בקלות על ידי החלת מתח מתאים על מעגל דחיפת השער. ניתן להגדיר את תצורת מתגי העומס באמצעות רכיבי MOSFET‏ עם תעלת P או תעלת N (איור 4).

איור 4: ניתן לממש מתגי עומס צד-גבוה, הממוקמים בין מקור הספקת המתח לעומס, עם רכיבי MOSFET בעלי תעלת P או תעלת N באמצעות אותות דחיפת שער מתאימים. (מקור התמונה: Nexperia)

אם נעשה שימוש ב-MOSFET עם תעלת P, משיכת השער למטה תפעיל את המתג ותאפשר זרימת זרם לתוך העומס. מעגל תעלת N דורש מתח גבוה יותר ממתח הכניסה שיש להחיל כדי להפעיל את ה-MOSFET במלואו. אם לא קיים אות מתח גבוה, ניתן לממש Charge Pump כדי לדחוף את השער של תעלת ה-N. הדבר מוסיף למורכבות המעגל, אך כיוון שרכיבי MOSFET עם תעלת N הם בעלי R_DS(on)‎ נמוך יותר לגודל נתון מאשר התקן עם תעלת P – ייתכן שזה יהיה כדאי. חלופה נוספת היא להשתמש ב-MOSFET עם תעלת N כמתג צד-נמוך בין העומס להארקה, תוך הפחתת מתח השער הנדרש.

ללא קשר לאופן בו ממומש מתג העומס, מפל המתח על פני ה-MOSFET שווה למכפלת זרם המרזב‏ ב-R_DS(on)‎. הפסדי ההספק הם המכפלה של זרם המרזב בריבוע ב-R_DS(on)‎. אי לכך, PMX100UNE הפועל בזרם מרזב מקסימלי של ‎0.7 אמפר יראה הפסדי הספק של ‎58 מילי-ואט בלבד הודות להתנגדות התעלה שלו בגובה ‎120 מילי-אוהם. זו הסיבה לכך שהשגת הערך הנמוך ביותר האפשרי של R_DS(on)‎ כה חשובה בתכנון התקנים נישאים ולבישים. המשמעות של הפסדי הספק נמוכים יותר היא עליית טמפרטורה נמוכה יותר ומשך חיי סוללה ארוך יותר.

ניתן להשתמש במתגי עומס MOSFET גם כדי לחסום זרמים אחורניים העלולים להתרחש במהלך מצב תקלה, כגון קצר חשמלי בכניסת הטעינה. הדבר נעשה על ידי הצבת שני רכיבי MOSFET בטור עם קוטביות הפוכה (איור 5).

איור 5: מוצג מתג עומס מוגן בזרם אחורני באמצעות תצורת מעגל מרזב משותף ורכיבי MOSFET עם תעלת P. (מקור התמונה: Nexperia)

ניתן לממש הגנה מפני זרם אחורני במתג עומס גם על ידי שימוש במקור משותף. סידור כזה דורש גישה לנקודת המקור המשותף כדי לבצע פריקה של השער לאחר ההפעלה.

יישומים בתוך המוצר

דוגמאות טובות להתקנים לבישים מתקדמים הם משקפי AR ו-VR. התקנים אלו זקוקים לרכיבים בעלי נצילות גבוהה עם פיזור הספק נמוך וגודל פיזי קטן. הם משתמשים במספר התקני MOSFET כמתגים ובהמרת הספק (איור 6).

איור 6: רכיבי MOSFET ממלאים תפקידים חיוניים בתכנון משקפי AR/VR כמתגי עומס, ממירי boost ומתגי סוללות (מסומנים בתוך הריבועים הכתומים). (מקור התמונה: Nexperia)

סוג זה של התקן לביש צריך לאזן בין מרווחי טעינה ארוכים ביותר לפונקציונליות של 'מצב מופעל תמיד' שהמשתמשים מצפים לה. מתגי ה-MOSFET משמשים להשבתת מקטעים מההתקן כשהם אינם בשימוש. יש לשים לב למתגים: אלו ממומשים עם רכיבי MOSFET המחברים ומנתקים את הקצה הקדמי של ה-RF ואת הרמקול. בצד של בקרת ההספק, רכיבי ה-MOSFET משמשים כמתגי סוללות ולצורך התחברות למקור הספקת מתח חיצוני לטעינה קווית. הם משמשים גם בממיר הספק boost מתח ממותג עבור הצג.

סיכום

עבור מתכנני התקנים מיקרו-לבישים והתקנים מוגבלי מקום והספק אחרים, רכיבי ה-MOSFET במארז DFN0603 מבית Nexperia מציעים את ה-_DS(on)‎ הנדרשים הטובים מסוגם בגודלי מארז זעירים למימוש בתכנים של הדור הבא. אלו הם רכיבים אידיאליים לשימוש כמתגי עומס ומתגי סוללות וכן בממירי הספק ממותגים.